Учёные напечатали на 3D-принтере микрочастицы для улучшения ингаляционных лекарств

Четыре протестированных дизайна частиц для сравнения:
Сверху слева: Pharmacone; сверху справа: Soccerball; снизу слева: Sphere; снизу справа: Rollingknot. Все структуры были произведены с использованием высокоточного метода 3D-печати в микрометровом масштабе. Автор: Communications Materials, Kiel University

Они едва толще человеческого волоса — и всё же могут значительно улучшить эффективность ингаляционных лекарств: частицы-носители в ингаляторах для сухого порошка транспортируют активное вещество и обеспечивают его эффективное вдыхание в лёгкие. Насколько хорошо это работает, сильно зависит от их формы.

Команда под руководством профессора Регины Шерлисс из Кильского университета (CAU) впервые произвела крошечные частицы-носители с точно определённой геометрией и использовала их для исследования роли формы частиц в процессе ингаляции — применив высокоточную технику 3D-печати.

Исследователи обнаружили, что форма частиц оказывает заметное влияние на количество активного вещества, которое можно вдохнуть. Из четырёх протестированных конструкций один вариант показал себя значительно лучше остальных. Результаты были опубликованы в Communications Materials.

Миллионы идентичных мини-частиц

Инновационный метод 3D-печати позволил произвести миллионы частиц точной формы серийно. Двухфотонная полимеризация — это процесс, работающий с нанометровым разрешением. Лазер избирательно активирует крошечные точки в материале, которые немедленно затвердевают. Благодаря новой технологии печати, недавно разработанной в Технологическом институте Карлсруэ (KIT), теперь можно производить 49 структур одновременно — это большой шаг к ускорению этого процесса.

Для каждого из четырёх протестированных дизайнов команда произвела более 2 миллионов идентичных частиц. Кроме того, они создали три варианта одной конкретной формы с разными уровнями шероховатости поверхности — от мелкой до грубой. Затем они объединили частицы с модельным лекарством, как в реальных ингаляционных составах.

«Чтобы лекарство подействовало, оно должно отсоединиться от носителя при вдыхании и достичь лёгких с потоком воздуха», — объясняет первый автор Мелвин Востри. «Если оно прилипнет, его просто проглотят, и оно никогда не достигнет своей цели».

Тесты показали, что геометрия частиц-носителей оказывала решающее влияние на то, сколько активного вещества высвобождалось во время ингаляции. «Одна форма, которую мы называем „Pharmacone“, стала явным победителем. Её звездообразная геометрия имеет несколько выступающих кончиков на поверхности», — говорит Шерлисс.

Pharmacone под сканирующим электронным микроскопом: На изображении показаны частицы-носители Pharmacone после смешивания с модельным лекарством. Автор: Communications Materials, Kiel University

«Фракция мелких частиц — то есть доля лекарства в респирабельном диапазоне ниже 5 микрометров — была в четыре раза выше с этой геометрией, чем со следующей по эффективности конструкцией».

Исследователи предполагают, что характерные кончики дизайна Pharmacone увеличивают столкновения и вращения между частицами, облегчая отсоединение лекарства. Напротив, шероховатость поверхности не оказала измеримого влияния на высвобождение.

Перспективы для разработки лекарств

Пока эти крошечные носители являются модельными частицами для фундаментальных исследований — они не подходят для ингаляции. Тем не менее, исследователи видят большой потенциал для будущих применений. В долгосрочной перспективе такие точно напечатанные структуры могут служить биоразлагаемыми носителями лекарств, непосредственно интегрированными в ингаляторы для сухого порошка.

«Наши результаты показывают, что современные технологии, такие как высокоразрешающая 3D-печать, открывают совершенно новые пути в фармацевтической разработке», — говорит Шерлисс. «Теперь мы можем целенаправленно влиять на поведение лекарств с помощью дизайна — своего рода тонкая настройка в микрометровом масштабе».

Больше информации: Melvin Wostry et al, Aerodynamic performance of tailored microparticles as carriers in dry powder inhaler formulations made by multi-focus multi-photon 3D laser printing, Communications Materials (2025). DOI: 10.1038/s43246-025-00913-0

Источник: Kiel University